DE102013221787A1 - Improved electrical sheet structure for an electric machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung offenbart elektrische Maschine, mit – einem Stator, an dem eine Mehrzahl von Phasenwicklungen angeordnet ist, und der zumindest eine Statorblechstruktur aufweist, die sich senkrecht zur Drehachse der elektrische Maschine erstreckt; und – einem Rotor, der zumindest eine Rotorblechstruktur aufweist, die sich senkrecht zur Drehachse der elektrische Maschine erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass die Statorblechstruktur und/oder die Rotorblechstruktur in der Richtung senkrecht zur Drehachse der elektrischen Maschine, einen ersten Bereich mit einer ersten Sättigungsmagnetisierung und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Sättigungsmagnetisierung aufweist, wobei die zweite Sättigungsmagnetisierung höher als die erste Sättigungsmagnetisierung ist.The invention discloses an electrical machine comprising: a stator having a plurality of phase windings arranged thereon and having at least one stator lamination structure extending perpendicular to the axis of rotation of the electric machine; and a rotor having at least one rotor lamination structure extending perpendicular to the axis of rotation of the electric machine; characterized in that the stator lamination structure and / or the rotor lamination structure in the direction perpendicular to the rotation axis of the electric machine has a first region with a first saturation magnetization and a second region with a second saturation magnetization, the second saturation magnetization being higher than the first saturation magnetization.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Elektroblechstruktur, die einerseits kostengünstig ist und andererseits den Wirkungsgrad und/oder die Drehmomentabgabe einer elektrischen Maschine verbessert. Derartige Elektrobleche werden in einer elektrischen Maschine, beispielsweise in einer Synchronmaschine, in einer Asynchronmaschine, in einer Reluktanzmaschine etc., eingesetzt, um den magnetischen Fluss zu leiten.The present invention relates to an improved electrical sheet structure, which on the one hand is inexpensive and on the other hand improves the efficiency and / or the torque output of an electrical machine. Such electrical sheets are used in an electric machine, for example in a synchronous machine, in an asynchronous machine, in a reluctance machine, etc., to conduct the magnetic flux.
Herkömmliche Statoren und Rotoren einer elektrischen Maschine umfassen aufeinander geschichtete Elektrobleche. Derartige Elektrobleche umfassen beispielsweise eine Eisen-Silizium-Legierung. Einige Bereiche des Elektroblechs werden vom magnetischen Fluss stärker durchflutet als andere Bereiche, beispielsweise aufgrund geometrischer und baulicher Gegebenheiten. In diesen Bereichen tritt bei einer größeren Belastung der elektrischen Maschine eine Sättigung auf, was den Wirkungsgrad reduziert und die Leistung der elektrischen Maschine begrenzt.Conventional stators and rotors of an electric machine comprise stacked electrical sheets. Such electrical sheets include, for example, an iron-silicon alloy. Some areas of the electrical sheet are flooded by the magnetic flux more than other areas, for example, due to geometric and structural conditions. In these areas occurs at a greater load on the electric machine saturation, which reduces the efficiency and limits the performance of the electric machine.
Asynchronmaschinen erreichen in der Regel einen schlechteren Wirkungsgrad als permanent erregte Synchronmaschinen, wenn sie aus vergleichbaren Materialien, insbesondere aus den gleichen Elektroblechen, hergestellt sind. Permanent erregte Synchronmaschinen weisen jedoch aufgrund der Magnete höhere Herstellkosten als Asynchronmaschinen auf.Asynchronous machines usually achieve a worse efficiency than permanently excited synchronous machines, if they are made of comparable materials, in particular from the same electrical steel sheets. However, permanent magnet synchronous machines have higher manufacturing costs than asynchronous machines due to the magnets.
Die
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine elektrische Maschine zu schaffen, die verbesserte Elektrobleche aufweist.The invention has for its object to provide an electrical machine having improved electrical steel sheets.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine elektrische Maschine gelöst, die einen Stator aufweist, an dem eine Mehrzahl von Phasenwicklungen angeordnet ist, und der zumindest eine Statorblechstruktur aufweist, die sich senkrecht zur Drehachse der elektrischen Maschine erstreckt, und einen Rotor aufweist, der zumindest eine Rotorblechstruktur aufweist, die sich senkrecht zur Drehachse der elektrische Maschine erstreckt. Erfindungsgemäß weist die Statorblechstruktur und/oder die Rotorblechstruktur in einer Richtung senkrecht zur Drehachse der elektrischen Maschine einen ersten Bereich mit einer ersten Sättigungsmagnetisierung und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Sättigungsmagnetisierung auf, wobei die zweite Sättigungsmagnetisierung höher als die erste Sättigungsmagnetisierung ist. Die Statorblechstruktur und/oder die Rotorblechstruktur weisen in der Richtung senkrecht zur Drehachse der elektrischen Maschine, den ersten Bereich mit einem ersten Ummagnetisierungsverlust und den zweiten Bereich mit einer zweiten Ummagnetisierungsverlust auf, wobei der zweite Ummagnetisierungsverlust niedriger als der erste Ummagnetisierungsverlust ist. Der Ummagnetisierungsverlust wird auch als Eisenverlust bezeichnet. Die Richtung senkrecht zur Drehachse kann auch als radiale Richtung bezeichnet werden.The object of the invention is achieved by an electric machine having a stator, on which a plurality of phase windings is arranged, and which has at least one stator lamination structure, which extends perpendicular to the axis of rotation of the electric machine, and has a rotor which at least one Rotor plate structure which extends perpendicular to the axis of rotation of the electric machine. According to the invention, the stator lamination structure and / or the rotor lamination structure has a first region with a first saturation magnetization and a second region with a second saturation magnetization in a direction perpendicular to the axis of rotation of the electrical machine, the second saturation magnetization being higher than the first saturation magnetization. The stator lamination structure and / or the rotor lamination structure have, in the direction perpendicular to the axis of rotation of the electrical machine, the first region with a first core loss and the second region with a second core loss, wherein the second core loss is lower than the first core loss. The core loss is also called iron loss. The direction perpendicular to the axis of rotation can also be referred to as a radial direction.
Erfindungsgemäß wird in ausgewählten Teilbereichen der elektrischen Maschine im Rotor und/oder im Stator im magnetischen Sinne ein höherwertiges Material vorgesehen, das eine höhere Sättigungsmagnetisierung und/oder einen niedrigeren Ummagnetisierungsverlust verglichen mit einem herkömmlichen Material aufweist. Dadurch wird im Magnetkreis eine Verbesserung erzielt, die eine Leistungssteigerung und eine Wirkungsgradsteigerung ermöglicht. Die Statorblechstruktur bzw. die Rotorblechstruktur ist scheibenförmig ausgebildet. Beispielsweise kann eine derartige scheibenförmige Statorblechstruktur bzw. die Rotorblechstruktur zwei oder mehr Materialien oder unterschiedliche Materialdichten aufweisen. An Bereichen mit einer höheren magnetischen Flussdichte wird ein magnetisch höherwertiges Material vorgesehen. Dadurch kann die Sättigungsmagnetisierung der gesamten Statorblechstruktur bzw. Rotorblechstruktur im Einsatz in der elektrischen Maschine auf einen höheren Wert gebracht werden, wodurch eine höhere Leistung bzw. eine höhere Drehmomentabgabe erzielt werden kann. Aufgrund der des niedrigeren Ummagnetisierungsverlustes kann ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Ein magnetisch höherwertiges Material weist eine höhere Sättigungsmagnetisierung und/oder einen niedrigeren Ummagnetisierungsverlust auf.According to the invention, a higher quality material is provided in selected subregions of the electric machine in the rotor and / or in the stator in the magnetic sense, which has a higher saturation magnetization and / or a lower core loss compared to a conventional material. As a result, an improvement is achieved in the magnetic circuit, which allows an increase in performance and an increase in efficiency. The stator lamination structure or the rotor lamination structure is disk-shaped. For example, such a disk-shaped stator lamination structure or the rotor lamination structure may have two or more materials or different material densities. At areas with a higher magnetic flux density, a higher magnetic material is provided. As a result, the saturation magnetization of the entire stator lamination structure or rotor lamination structure in use in the electrical machine can be brought to a higher value, whereby a higher power or a higher torque output can be achieved. Due to the lower core loss, higher efficiency can be achieved. A magnetically superior material has a higher saturation magnetization and / or a lower core loss.
Die Statorblechstruktur, die sich senkrecht zur Drehachse erstreckt, kann aus einem Blech gebildet sein. Auch die Rotorblechstruktur, die sich senkrecht zur Drehachse erstreckt, kann aus einem Blech gebildet sein. Bei einer derartigen Struktur können unterschiedliche Materialien zu einem Blech zusammengefügt werden, beispielsweise mittels Schmelztechniken oder Schweißtechniken. Ferner ist es möglich, innerhalb des Blechs für die Statorblechstruktur bzw. Rotorblechstruktur unterschiedliche Beimischungen beizufügen.The stator lamination structure, which extends perpendicular to the axis of rotation, may be formed from a metal sheet. The rotor sheet structure, which extends perpendicular to the axis of rotation, may be formed from a metal sheet. With such a structure, different materials can be assembled into a sheet, for example, by melting techniques or welding techniques. Furthermore, it is possible to add different admixtures within the sheet for the stator lamination structure or rotor lamination structure.
Die Statorblechstruktur, die sich senkrecht zur Drehachse erstreckt, kann aus einer Mehrzahl in einer Ebene angeordneten Blechen gebildet sein. Alternativ hierzu oder zusätzlich kann die Rotorblechstruktur, die sich senkrecht zur Drehachse erstreckt, aus einer Mehrzahl in einer Ebene angeordneten Blechen gebildet sein. Der erste Bereich kann durch ein erstes Blech gebildet sein und der zweite Bereich kann durch ein zweites Blech gebildet sein. Das erste Blech kann neben dem zweiten Blech liegen. Es ist auch möglich, dass das zweite Blech vom ersten Blech vollständig umschlossen wird.The stator lamination structure, which extends perpendicular to the axis of rotation, can be formed of a plurality arranged in a plane sheets. Alternatively or additionally, the rotor sheet structure, which extends perpendicular to the axis of rotation, may be formed from a plurality of sheets arranged in a plane. The first region may be formed by a first plate and the second region may be formed by a second plate. The first sheet may lie next to the second sheet. It is also possible that the second sheet is completely enclosed by the first sheet.
Die elektrische Maschine kann eine Statorblechanordnung aufweisen, die eine Mehrzahl von Statorblechstrukturen aufweist, die in Richtung der Drehachse der elektrischen Maschine parallel zueinander angeordnet sind. Die Stator Blechanordnung kann sich entlang des gesamten Rotors und darüber hinaus erstrecken. Innerhalb der Statorblechanordnung oder um die Statorblechanordnung können die Phasenwicklungen ausgebildet sein. Die Rotorblechanordnung kann eine Mehrzahl von Rotorblechstrukturen aufweisen, die in Richtung der Drehachse der elektrischen Maschine parallel zueinander angeordnet sind. Die Rotorblechanordnung kann sich innerhalb eines Käfigläufers einer Asynchronmaschine befinden. Bei einer Synchronmaschine können Magnete in oder an der Rotorblechanordnung angeordnet sein.The electric machine may include a stator lamination structure having a plurality of stator lamination structures arranged in parallel with each other in the direction of the rotation axis of the electric machine. The stator sheet assembly may extend along the entire rotor and beyond. Within the stator laminations or around the stator laminations, the phase windings may be formed. The rotor-plate assembly may have a plurality of rotor-plate structures which are arranged parallel to one another in the direction of the axis of rotation of the electrical machine. The rotor plate assembly may be located within a squirrel-cage rotor of an asynchronous machine. In a synchronous machine magnets may be arranged in or on the rotor plate assembly.
Die zweiten Bereiche mit dem magnetisch höherwertigen Material können Kobalt aufweisen. Eisen mit einem Kobaltanteil weist eine höhere Sättigungsmagnetisierung und einen niedrigeren Ummagnetisierungsverlust als Eisen ohne Kobaltanteil auf.The second regions of the magnetically superior material may comprise cobalt. Iron with a cobalt content has a higher saturation magnetization and a lower core loss than iron without cobalt content.
Die zweiten Bereiche können an Orten des Stators und/oder des Rotors angeordnet sein, an denen im Betrieb der elektrischen Maschine eine höhere magnetische Flussdichte herrscht.The second regions may be arranged at locations of the stator and / or the rotor, at which a higher magnetic flux density prevails during operation of the electrical machine.
Der zweite Bereich kann die Zähne der Stators, einen Teilbereich der Zähne des Stators und/oder einen zylinderförmigen Bereich umfassen, der die Statorzähne verbindet. Alternativ hierzu oder zusätzlich kann der zweite Bereich die Zähne des Rotors, einen Teilbereich der Zähne des Rotors und/oder einen zylinderförmigen Bereich, der die Rotorzähne verbindet, umfassen. Es versteht sich, dass der zweite Bereich einen beliebigen weiteren Bereich umfassen kann, der im Betrieb einem höheren magnetischen Fluss als andere Bereiche des Statorblechs ausgesetzt ist.The second region may include the teeth of the stator, a portion of the teeth of the stator and / or a cylindrical portion connecting the stator teeth. Alternatively or additionally, the second region may include the teeth of the rotor, a portion of the teeth of the rotor, and / or a cylindrical portion connecting the rotor teeth. It will be understood that the second region may include any other region that is exposed to a higher magnetic flux during operation than other regions of the stator lamination.
Die elektrische Maschine kann eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine und/oder eine Reluktanzmaschine sein. Besonders bevorzugt ist die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine. Die Asynchronmaschine weist den Vorteil auf, dass sie keine Permanentmagnete umfasst und daher kostengünstiger hergestellt werden kann. Ferner werden keine seltenen Erden benötigt. Die Asynchronmaschine hat in der Regel einen schlechteren Wirkungsgrad als eine permanent erregte Synchronmaschine. Der Wirkungsgrad der Asynchronmaschine kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Rotorblechstruktur bzw. Statorblechstruktur in Richtung der permanent erregte Synchronmaschine verbessert werden, ohne dass seltene Erden eingesetzt werden müssen.The electric machine may be an asynchronous machine, a synchronous machine and / or a reluctance machine. Particularly preferably, the electrical machine is an asynchronous machine. The asynchronous machine has the advantage that it does not include permanent magnets and therefore can be produced more cheaply. Furthermore, no rare earths are needed. The asynchronous machine usually has a lower efficiency than a permanent magnet synchronous machine. The efficiency of the asynchronous machine can be improved by the use of the rotor plate structure according to the invention or stator lamination structure in the direction of the permanent magnet synchronous machine, without that rare earths must be used.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, die beispielhafte und nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung zeigen.The invention will now be elucidated with reference to the figures, which show exemplary and non-limiting embodiments of the invention.
Die Asynchronmaschine
Die Wicklungen
In den Zähnen
Am Rotor ist eine Rotorblechstruktur
Es wird auf
Erfindungsgemäß wird im äußeren Rotorblechbereich ein Material verwendet, das eine höhere Sättigungsmagnetisierung und/oder einen niedrigeren Ummagnetisierungsverlust aufweist als die innere Rotorblechstruktur
Es wird auf
Die Zähne
Es wird auf
Die zweite Rotorblechstruktur
Die zweite Rotorblechstruktur
Bei der in
Die zuvor beschriebenen ersten und zweiten Rotorblechstrukturen bzw. inneren und äußeren Rotorblechstrukturen können einstückig oder zweistückig hergestellt sein. Beispielsweise ist es möglich, die innere und äußere Rotorblechstruktur bzw. die erste und zweite Rotorblechstruktur separat herzustellen, beispielsweise durch Stanzen, und durch Schmelzen, Pressen, Formschluss, Punktschweißen oder Schweißen zu verbinden.The above-described first and second rotor lamination structures and inner and outer rotor lamination structures may be produced in one piece or in two pieces. For example, it is possible to manufacture the inner and outer rotor sheet structure and the first and second rotor sheet structure separately, for example by punching, and to connect by melting, pressing, positive engagement, spot welding or welding.
Die zweite Rotorblechstruktur und/oder die äußere Rotorblechstruktur, die die höhere Sättigungsmagnetisierung und/oder den niedrigeren Ummagnetisierungsverlust aufweisen, weisen vorzugsweise einen höheren Anteil an Kobalt auf.The second rotor sheet structure and / or the outer rotor sheet structure, which have the higher saturation magnetization and / or the lower core loss, preferably have a higher proportion of cobalt.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass die Drehmomentabgabe und/oder der Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Asynchronmaschine, erhöht werden kann. Die vorliegende Erfindung lässt sich insbesondere bei Asynchronmaschinen, die keine seltenen Erden für Permanentmagnete erfordern, vorteilhaft zum Erhöhen des Drehmomentes und/oder des Wirkungsgrades anwenden.The present invention has the advantage that the torque output and / or the efficiency of an electrical machine, in particular an asynchronous machine, can be increased. The present invention is particularly applicable to asynchronous machines which do not require rare earths for permanent magnets, advantageously for increasing the torque and / or the efficiency.
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